中厚板厂制造执行系统的设计

lihuolin958

　　1 前言

　　某中厚板厂具有完善的基础自动化系统(L1)和过程自动化系统(L2)，但生产计划的下达和调度由人工完成，生产线上各单体设备之间的信息传递也是依靠人工传递报表来实现，当信息传递不及时或不畅时会有信息孤岛出现，从而影响生产的正常进行，与完善的L1、L2自动化系统不相匹配，制约了生产效率的提高。为此该厂实施了MES改造，系统功能包括生产计划管理、工艺数据管理、库区管理、物料跟踪、轧辊管理和生产数据收集管理6个部分。考虑到整个系统控制实时性要求高、数据交换频繁、数据量大等特点，采用3层结构设计，分别为数据库服务器、通信服务器和客户端，满足了系统对高效、稳定进行，以及可扩展的需求。

　　2 系统功能组成

　　2.1 生产计划管理

　　生产计划的管理从接收生产日计划开始，生产调度人员调用计划排序模块制定产品批次(由多块相同钢种、产品规格的板坯组成)的生产顺序表，然后结合中厚板厂实际生产情况对生产顺序表进行编辑修改，形成最终执行的生产计划。接下来生产计划下达到挂料操作室，挂料员可以根据计划和库存坯料情况进行挂料，形成上料表(按单块)，组织安排上料，同时调用生产工艺数据，生成生产作业要求，通过网络下发到各L2级的相关控制系统。生产完成后根据质量检测报告，对产品进行合格判定、改判或者判废，当一个生产计划执行完后形成一个执行结果报表，为生产管理部门提供一个详细和及时的生产情况总结。

　　2.2 生产工艺管理

　　生产工艺管理的目标是实现质量，技术标准的统一管理，同时根据质量标准数据，给出产品成分、性能、外观、综合判定标准及制造标准和工艺参数设计。质量系统提供如下功能：建立、维护质量标准数据库和冶金规范数据库;按用户订货合同的要求，查询质量标准数据库和冶金规范数据库，找到与之匹配的质量标准和工艺标准，具体内容包括钢种成分、产品允许公差、加热制度、轧制制度、控冷制度和精整制度等;根据产品质量要求进行产品合格、改判或判废的质量判定处理。

　　2.3 库存管理

　　库存管理区域包括板坯库和成品库两部分。管理内容主要包括板坯(钢板)的入库、出库和倒垛作业。入库管理是指根据优化算法为进入库区的板坯(钢板)选择最佳垛位，以便加快入库节奏，减少倒垛次数，降低劳动强度。板坯库出库管理是指对计划内板坯的轧制顺序进行一定范围内的调整，使得出库板坯顺序合理化。成品库出库管理相对简单，根据发货计划出库。倒垛管理的目的是为了减少倒垛量，倒垛分为主动倒垛和被动倒垛。

　　2.4 物料跟踪管理

　　生产线划分为板坯库区、炉区、轧区、控冷区，冷床区、切头剪区、双边剪区、定尺剪区、收集区和成品库区共9个区域，物料跟踪管理模块记录每块坯料(钢板)进入和离开跟踪区域的时间，当产品最终下线时形成以坯料(钢板)为索引的一条记录信息，以便对生产计划的执行情况进行分析。

　　2.5 轧辊管理

　　轧辊管理主要是对轧机的工作辊、支撑辊进行管理。所有轧辊从人厂开始就进行登录，并按其修磨实绩和轧制实绩进行管理，直至轧辊报废。换辊时，记录换下轧辊的轧制实绩信息，对轧辊进行履历管理。系统还对轧辊的轴承及轴承座数据、库存、使用实绩进行管理。

　　2.6 生产数据收集与备份

　　生产数据收集功能包括生产过程工艺数据的收集和产品质量信息的收集，管理主要分类项目数据，减少非定型分析时间，分析生产中存在的质量和生产效率问题，最终生成生产日报/月报和质量实绩统计报表，上报生产管理部门。

　　由于数据库的存储空间有限，繁冗的数据会严重影响数据库系统的运行效率，所以需要定期将数据库中的数据移出并存储为文本格式形式，释放空间，以备存储新的数据。

　　3 系统软硬件和网络结构

　　系统采用如下软件配置：服务器操作系统为Windows 2003，客户端操作系统为Windows XP Professional，数据库为Oracle 9.0.2，通信软件为自行开发的Process Track Communication Adapter和Socket Adapter，开发软件为VC++，PQ/SQL Develop7;O;a。Crystal Report 10等。硬件系统数据库和通信服务器采用HP公司的PC服务器Hp ProLiant DL 570 G4，客户端采用研华工业用计算机610L。

　　该中厚板厂采用3层网络体系结构，MES通过CISCO交换机分别与过程机自动化系统、基础自动化系统以及其他系统相连，网络结构见图1。

　　

　　图1. 网络结构图

　　4 系统架构

　　系统架构设计如图2所示，整个系统由数据库、通信服务进程和界面客户端进程组成。Oracle数据库作为整个系统架构的核心，负责存储数据和执行业务处理过程。通信服务进程负责系统与ERP、连铸、质计、过程机、基础自动化系统的通信，通过客户端完成一些操作触发和数据录入工作。

　　

　　图2. 系统架构实现图

　　4.1 数据库

　　数据库最基本的作用是将系统功能所涉及到的数据信息存储到相应的数据表中。为降低客户端和通讯进程查询数据的响应时间，从逻辑设计和物理设计两个方面对数据库进行优化，即减小数据表的大小和数据量、减少数据表之间的连接运算、采取分区设计、合理使用簇引集合。

　　业务处理使用数据库中PL/SQL存储过程完成，包括以下5个部分：

　　(1)实现业务处理，如板坯队列的生成和前后队列间的板坯移动操作等;

　　(2)实现优化算法，如入库堆垛算法和出库垛位选择算法等;

　　(3)对通信服务进程发送过来的数据包进行解码操作;

　　(4)对数据库向通信服务器发送的数据进行编码操作，并通过TCP/IP协议发送到通信服务进程;

　　(5)利用JOB任务功能实现业务处理的定时功能;

　　(6)为报表系统提供查询后的数据。

　　业务处理使用PL/SQL存储过程来完成，有如下优点：

　　(1)PL/SQl-存储过程能够组合起来完成复杂业务处理过程，并且支持面向对象的编程方法和重载，可提高程序的可重用性。

　　(2)PL/SQL存储过程在编译后生成中间代码，该代码的执行效率比客户端数据库访问快;

　　(3)PL/sQL存储过程中包含完备的容错功能，可提高系统的稳定性;

　　(4)外部程序直接调用PL/SQL存储过程，仅需传递存储过程名和参数，可减少网络流量，降低外部程序与数据库服务器之间的数据交换量;

　　(5)可使用PL/SQL Developer、Toad等开发工具模拟运行环境和设置断点，方便调试。

　　4.2 通信服务进程

　　通信服务进程包含传输协议和接口，有3个功能：

　　(1)根据接收到的触发事件调用数据库PL/SQL存储过程做出处理;

　　(2)根据接收到的电文调用相应的PL/SQL存储过程进行解码;

　　(3)将数据库发送过来的电文按照事先制定的通信规范发送到相应系统。

　　采用Process Track Communication Adapter通信程序实现人机界面服务器同数据库之间的通信，通信结构如图3所示。Process Traek Communication Adapter为每个人机界面服务器创建一个连接线程，连接线程通过OPC协议来访问人机界面服务器，在接收到人机界面变量触发消息和参数后形成一条消息并加入到消息队列的末尾。Process Track Communication Adapter与数据库之间的接口为oCI(0racle Call Interface)，OCI是比较底层的接口，也是其他Oracle开发接口的底层实现，如AD0、JDBC都是在0CI上层的封装，由于减少了多层封装，提供与0racle的直接连接，所以0CI可以提供最佳的性能。数据库操作线程则按照一定的时间间隔从消息队列中取出消息进行数据库操作，操作完成后将返回值写回人机界面服务器变量，并将该消息从队列中删除。

　　

　　图3 Process Track Communication Adapter程序软件结构

　　采用Socket Adapter通信程序通过TCP/IP协议实现数据库与ERP、连铸、质计、L2等系统的数据交换，通信结构如图4所示。Socket Adapter为每个其他系统创建接收和发送两个线程，两个线程的连接都是动态SOCKET，即计算机之间的连接方式是动态的，当一次通信结束后，客户端主动关闭与服务器的连接，下一次传送电文时，再建立新的连接。接收线程在接收到电文后将其加入到数据库消息队列的末尾，同时判断该电文是否需要答复，如果需要则生成一条应答电文并加入到发送消息队列的末尾等待发送。数据库操作线程则按照一定的时间间隔从消息队列中取出消息进行数据库操作，操作完成后将返回值写回人机界面服务器变量，并将该消息从队列中删除。数据库向其他系统发送电文时，内置的JAVA存储过程通过TCP/IP协议将电文发送到Socket Adapter的数据库接收线程，接收线程根据通信规范将电文加入到目的消息队列的末尾，等待发送。发送线程按照一定的时间间隔从发送消息队列中取出消息后发送到目的系统。

　　

　　图4. Socket Adapter程序软件结构

　　4.3 客户端

　　界面客户端直接与数据库进行通信，通过数据表和视图来获得数据，然后显示在界面上，其他业务操作功能都通过同步调用PL/SQL存储过程来实现。

　　5 结语

　　该中厚板厂MES系统以业务处理模型为核心，连接基础自动化、过程自动化、质检、ERP等系统，建立了由数据库、通信服务器和客户端组成的3层体系结构，满足了系统高效、稳定和可扩展的需求。上线以后，解决了工序问协调运作、生产信息及时传递、生产过程优化等问题，将生产管理模式由人工粗放式管理转变为系统精细化管理，提高了生产管理水平和生产效率。

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